變頻調(diào)速在位能負(fù)載中的應(yīng)用

何繼平 盧秀珍

摘要：隨著變頻技術(shù)的日趨成熟，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用。本文通過(guò)將變頻調(diào)速技術(shù)引入典型位能性負(fù)載——橋式起重機(jī)的介紹，闡述了變頻調(diào)速在位能負(fù)載中應(yīng)用的可能性及它有利的一面。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；位能；應(yīng)用

橋式起重機(jī)、抓斗起重機(jī)、行車、卷?yè)P(yáng)機(jī)等這一類生產(chǎn)機(jī)械一般都是為了提升重物而設(shè)計(jì)的，它們具有位能負(fù)載的特性，屬于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)。這一類位能負(fù)載它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)：電機(jī)都選用繞線式電機(jī)YR或YZR，通過(guò)分級(jí)切換轉(zhuǎn)子所串電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。這種控制方式往往需要有龐大的控制系統(tǒng)，如切換用的分級(jí)切換接觸器、正反轉(zhuǎn)接觸器及控制繼電器、電阻器等，體積龐大且維修量較大，又浪費(fèi)電能。起升或下降重物的過(guò)程中頻繁切換，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械及電氣元件的壽命造成了影響。如果將變頻調(diào)速引入原系統(tǒng)，則可取得良好的效果。以下通過(guò)將變頻器應(yīng)用到32/5T橋式起重機(jī)為例說(shuō)明，變頻調(diào)速技術(shù)在位能負(fù)載應(yīng)用中的優(yōu)越性。

一、采用變頻器的系統(tǒng)構(gòu)成

鑒于變頻調(diào)速改造是在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以應(yīng)本著大體上不改變?cè)到y(tǒng)構(gòu)成方式、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)約的原則來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。原橋式起重機(jī)共有大車、小車、主鉤和副鉤5臺(tái)電機(jī)，大小車均使用凸輪控制器直接串入電機(jī)定子主回路、轉(zhuǎn)子主回路進(jìn)行切換調(diào)速，因?yàn)樗紤]到大小車電機(jī)容量較小，不用增加附助的接觸器，所以本著經(jīng)濟(jì)的原則可以不改變?cè)笮≤嚨目刂品绞?，仍然采用凸輪控制器控制大小車的運(yùn)行、調(diào)速。主鉤電機(jī)因容量較大，原設(shè)計(jì)采用正反轉(zhuǎn)接觸器及四級(jí)分級(jí)切除電阻接觸器控制電機(jī)的運(yùn)行、調(diào)速，我們可以采用一臺(tái)變頻器來(lái)替代正反轉(zhuǎn)及四個(gè)分級(jí)接觸器，將原電機(jī)轉(zhuǎn)子回路短接使用，而不需要更換電機(jī)。原主鉤主令控制器改為變頻器的速度與方向給定源，利用不同的檔位給出不同的方向和多級(jí)速度，輸入到變頻器的輸入端。限位保護(hù)、變頻故障、零位保護(hù)、失壓保護(hù)統(tǒng)一由一個(gè)繼電器邏輯完成。機(jī)械制動(dòng)器仍然必要，除了機(jī)械制動(dòng)還需增加制動(dòng)電阻，即在下放重物時(shí)若電機(jī)運(yùn)行至再生發(fā)電狀態(tài)，再生的電能將由變頻器直流回路上接入的制動(dòng)電阻消耗掉，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩。副鉤的變頻改造同主鉤，也采用一臺(tái)變頻器控制副鉤的運(yùn)行、調(diào)速。

二、采用變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

大小車控制方式?jīng)]有改變，因此它的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性沒(méi)改變。主鉤和副鉤采用變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖2所示，是一組平行的曲線，變頻器輸出頻率變化時(shí)，電機(jī)機(jī)械特性上下平移，而不是像切換電阻調(diào)速時(shí)那樣特性變軟，因此具有較好的機(jī)械特性。在第1象限電機(jī)的上升段，隨著上升三種給定頻率，對(duì)應(yīng)著三條特性曲線n1、n2、n3，電動(dòng)機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行。在第3象限下降段，隨著下降三種給定頻率，對(duì)應(yīng)著三條特性曲線n1'、n2'、n3'，電動(dòng)機(jī)反向電動(dòng)運(yùn)行。若由于負(fù)載較重，則進(jìn)入第4象限，電機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)上施加的是正方向轉(zhuǎn)矩，而貨物以負(fù)方向高速下放直至一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，再生的電能回饋至制動(dòng)電阻消耗掉。若負(fù)載需要低速下放，可以在低給定頻率處運(yùn)行。由于采用了變頻調(diào)速，原橋式起重機(jī)中存在的倒拉反接制動(dòng)及單相制動(dòng)狀態(tài)將不存在，可以將原系統(tǒng)中相關(guān)部分取消。因不用串電阻調(diào)速，一方面可以將電阻器取消，以減少維護(hù)量及維修成本，另一方面由于調(diào)速時(shí)不再將轉(zhuǎn)子電能消耗在電阻上，這樣可以節(jié)約大量的電能，而起重機(jī)大部分時(shí)間是工作在輕載低速段，所以節(jié)約的電能更為可觀。

三、變頻器及制動(dòng)組件的選型

橋式起重機(jī)電機(jī)常常工作在頻繁的起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)工作狀態(tài)，同時(shí)經(jīng)常承受較大的過(guò)載和機(jī)械沖擊，為此，這類電動(dòng)機(jī)具有較高的過(guò)載能力，一般為2.2-2.8倍，負(fù)載性質(zhì)為重復(fù)短時(shí)工作制。選用適當(dāng)容量的變頻器，就可以保證電機(jī)具有的過(guò)載能力，而且可以不致于使變頻器經(jīng)常跳閘影響生產(chǎn)。ABB的變頻器重載應(yīng)用具有150%每五分鐘過(guò)載一分鐘的過(guò)載能力，瞬態(tài)過(guò)載力矩也只能達(dá)到180%--200%，所以必須加大變頻器容量等級(jí)。例如：32/5T橋式起重機(jī)主鉤電機(jī)為55KW，就應(yīng)選擇高于此等級(jí)的變頻器容量等級(jí)75KW。此外，為了防止溜鉤，即機(jī)械制動(dòng)器在抱住之前和松開(kāi)之后的瞬間，發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，需要選用具有零速時(shí)滿轉(zhuǎn)矩和直流強(qiáng)勵(lì)磁功能的變頻器，以有效防止溜鉤。ABB變頻器就具有這一功能，再配上ABB變頻器的ACC提升機(jī)應(yīng)用宏和抱閘控制邏輯效果更佳。另外，由于橋式起重機(jī)工作場(chǎng)合環(huán)境比較惡劣，粉塵大、空氣潮濕、振動(dòng)，所以應(yīng)選用防護(hù)等級(jí)較高的產(chǎn)品，變頻器安裝也應(yīng)穩(wěn)固。制動(dòng)組件包括制動(dòng)電阻器及斬波器，將電機(jī)產(chǎn)生的再生電能消耗。橋式起重機(jī)主、副鉤經(jīng)常頻繁制動(dòng)，要求制動(dòng)力矩大而且制動(dòng)時(shí)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，所以應(yīng)該選用制動(dòng)電阻的功率加大一倍，斬波器也加大一個(gè)等級(jí)。綜合上述幾點(diǎn)，32/5T橋式起重物主副鉤變頻器及制動(dòng)組件選用如表1所示。（ABB公司產(chǎn)品）

四、結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速在位能負(fù)載中應(yīng)用不但可以滿足使用要求，而且可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)是用繼電器控制，系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)多種聯(lián)鎖與安全保護(hù)功能，繼電器邏輯較為復(fù)雜，繼電器與接觸器頻繁切換動(dòng)作，故障率較高且維修成本高，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的而將電能消耗在電阻上，又浪費(fèi)了能源。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)分級(jí)切換檔位時(shí)，容易造成機(jī)械沖擊，造成機(jī)械磨損。而采用變頻調(diào)速時(shí)可以完全解決這些問(wèn)題。變頻器調(diào)速控制簡(jiǎn)單易維護(hù)，而且變頻器具有軟啟動(dòng)、軟停車、節(jié)能的特點(diǎn)，若是條件允許，將升、降、速度給定、保護(hù)等統(tǒng)一納入到PLC中集中控制變頻器，則可取得更加良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊宗豹.電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].冶金工業(yè)出版社，1987.

[2]滿永奎.通用變頻器及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1994.